濃香型白酒看花摘酒工藝的可視化分析

林慧，張宿義,,3*，秦輝，張立強,3，楊艷，魏陽，楊貴，薛江林

1(四川輕化工大學 生物工程學院，四川 宜賓，644000)2(瀘州老窖股份有限公司，四川 瀘州，646000)3(國家固態釀造工程技術研究中心，四川 瀘州，646000)

濃香型白酒是中國傳統固態法釀造白酒之一，是以糧谷為原料，中溫大曲為糖化發酵劑，經蒸煮、糖化、發酵、蒸餾、陳釀、勾調等一系列工藝釀制而成[1]。獨特的“泥窖固態發酵、續糟配料、混蒸混燒”釀造工藝賦予了其“窖香濃郁、醇和協調、綿甜爽凈、余味悠長”的風格特點[2]。

隨著白酒行業的發展及對白酒品質的追求，依靠感官品評的白酒鑒別方式已逐漸趨于量化和可視化，越來越多國內外學者采用色譜、質譜、光譜等儀器結合化學計量學方法，進行酒類飲料的風味鑒別和差異分析，如對原料產地、品牌、香型、等級、年份鑒定等進行了分類和判別研究[3-7]。在白酒釀造過程中，摘酒是糟醅發酵后基酒品質控制的一個重要工藝環節，對保障產品質量有著重要作用。然而，目前行業廣泛應用的摘酒方法仍是以人工經驗判斷的“看花摘酒”和感官品評為主，依據“酒花”形態、大小、消散時間以及感官嘗評等將酒體摘取成不同段次[8]。因此，利用“看花摘酒”工藝中酒體差異性風味物質組分，提供一種客觀、高效、可數字化控制的摘酒方式是非常有必要的。

尾酒是基酒蒸餾后期餾出的酒，酒度一般在40%vol及以下，含有大量乳酸乙酯、有機酸等，比例不協調，呈味雜、酸澀味重等特點[9]。而黃水是白酒釀造過程中糟醅經微生物代謝產生、沉積至窖池底部的游離水，含有微生物菌體、糖類、有機酸、酯類等成分[10]。在白酒生產應用中，尾酒和黃水會被回收用于白酒調味、窖池養護及窖泥培養等方面，因生成量較大，更多地被應用于回底鍋復蒸[11-13]。因此，本文研究針對企業實際生產應用，以底鍋中加清水(對照組)、回尾酒和回黃水3種蒸餾工藝結合“看花摘酒”工藝分段摘取的10組濃香型白酒基酒過程樣品為研究對象，采用氣相色譜法-氫火焰檢測器(gas chromatography-flame ionization detector，GC-FID)技術測定酒樣中揮發性風味物質，首先探究了回尾酒和回黃水蒸餾工藝對風味物質的餾出影響；其次，以各蒸餾工藝為整體，結合化學計量學方法建立基于風味物質的基酒過程樣品的分類模型并進行差異性分析，利用差異性物質構建各段次基酒的鑒別模型，實現“看花摘酒”工藝風味物質的可視化分析，為實現機械化、數據化的摘酒提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

試劑：乙酸正戊酯、叔戊醇、2-乙基正丁酸，均為色譜純，上海安譜有限公司。

酒樣：取瀘州某濃香型酒廠車間發酵正常的窖池糟醅，共取樣10甑(同一窖池)，其中4甑底鍋中加清水蒸餾作為對照組，記為LS1～LS4；3甑回尾酒蒸餾工藝樣品記為LS5～LS7；3甑回黃水蒸餾工藝樣品記為LS8～LS10。底鍋水總量控制為400 kg，回尾酒或黃水量均為200 kg/甑。取樣方法為每甑的酒頭取混合樣，記為LSx-頭；二段酒流酒開始，第0 min為第1個，每間隔2 min取一個樣，轉段點取一個樣，至轉尾酒點取樣結束，過程樣品依次記為LSx-1、2….(x=1～10)。過程均以“看花摘酒”為分段方式，并結合專業嘗評員進行分段，具體的看花摘酒方式及各段次酒花特征如表1所示，所回尾酒和黃水含有的主要揮發性風味物質如表2所示(黃水是車間幾種工藝混合黃水，酒精度及風味物質含量略高)。

表1 看花摘酒轉段時酒花特征

表2 底鍋中所回尾酒和黃水色譜數據

1.2 儀器與設備

Agilent GC 7820A氣相色譜儀，配備FID檢測器，美國Agilent公司；DMA 35便攜式密度計，安東帕(上海)商貿有限公司。

1.3 實驗方法

色譜柱：CP-Wax 57 CB(50 m×0.25 mm×0.2 μm)；GC條件：初始溫度35 ℃，保持3 min，以3 ℃/min的速率升高至70 ℃；以1.5 ℃/min速率升高至80 ℃；以2 ℃/min速率升高至210 ℃，保持10 min。載氣為高純氮，柱流速1.0 mL/min；進樣口溫度240 ℃；FID檢測器溫度：250 ℃；分流比20∶1；進樣量1 μL。

定性與定量分析：結合風味物質的保留時間指數和標準品的保留時間進行定性分析。內標法對風味物質進行定量，以乙酸正戊酯、叔戊醇和2-乙基正丁酸分別作為酯類、醇類、酸類及其他類別風味組分的內標物，以待測組分與內標的峰面積和濃度的比值計算待測組分含量。

1.4 數據統計與分析

利用SPSS 22.0、SIMCA 14.1對數據進行化學計量學分析，Excel 2019、Origin 2021軟件對實驗數據進行整理統計和畫圖分析。

2 結果與分析

2.1 三種蒸餾工藝下基酒餾出規律分析

2.1.1 基酒流酒時長、產量和酒精度的變化分析

各蒸餾工藝之間的流酒時長和產量及其差異性分析如圖1-a、圖1-b所示，回尾酒和回黃水組的總流酒時長顯著增加(P<0.05)，其中主要是二段流酒時長被顯著提高(P<0.05)，三段流酒時長無顯著差異；另外二三段酒總產量也被顯著提升(P<0.05)，回尾酒和回黃水蒸餾工藝之間產量也具有顯著差異(P<0.05)。

如圖1-c所示，蒸餾過程中酒精濃度隨著流酒時間的延長呈下降趨勢。在轉二段酒時底鍋水、回尾酒、回黃水蒸餾組的酒精度分別為(74.35±1.52)%vol、(75.50±1.51)%vol、(75.63±0.76)%vol；轉三段酒分別為(63.65±1.69)%vol、(63.73±1.55)%vol、(64.13±0.91)%vol；轉尾酒時分別為(47.00±1.40)%vol、(46.47±2.76)%vol、(45.97±0.45)%vol，各蒸餾工藝轉段時酒精度差異不大，有研究表明，酒精度與“酒花”形態、大小的變化有重要關系[14]。尾酒和黃水中首先是含有一定量酒精，主要影響二段酒流酒時長；其次乙醇作為大量微量組分的載體，將進一步影響風味物質的餾出。

a-流酒時長；b-產量；c-酒精度

2.1.2 基酒蒸餾過程中揮發性風味物質變化

采用GC-FID方法檢測基酒過程樣品，共檢測到揮發性風味物質69種，其中酯類28種，醇類15種，酸類10種，醛類8種，酮類6種，呋喃2種。為探究回尾酒、黃水對基酒風味物質的餾出影響，主要比較了不同蒸餾工藝下醛類、酯類、醇類和酸類4種物質隨時間的含量變化。

(1)醛類、酯類物質變化

醛類物質在酒中的含量較其他香味成分略低，卻是協調、平衡白酒香氣的重要風味物質[15]。圖2-a所示為蒸餾過程醛類物質餾出曲線，隨著流酒時間增加，醛類物質總量呈遞減趨勢。從變化曲線可以看到回尾酒和回黃水蒸餾工藝提高了流酒開始時醛類物質含量，轉二段點時回尾酒、黃水蒸餾含量是底鍋水蒸餾的1.70～2.10倍；而在轉三段點時，因回尾酒和回黃水組二段酒流酒時間更長，其醛類物質餾出更加充分，含量更低，為(240.97±4.86)mg/L和(255.56±9.98)mg/L，底鍋水組為(406.24±105.48)mg/L；轉尾酒時各蒸餾工藝之間含量差異不明顯，為(140.67±12.85)～(207.57±22.22)mg/L。

圖2-c為檢測到的8種醛類物質在不同蒸餾工藝下各轉段點含量變化的熱圖分析。醛類物質在蒸餾過程中可聚為三類，第Ⅰ類以乙醛、乙縮醛、二甲基丁醛為代表在蒸餾過程中含量遞減，可以看到在流酒開始時，主要是第Ⅰ類醛類物質在回尾酒和回黃水蒸餾工藝中餾出含量增加。第Ⅱ類是糠醛，在蒸餾過程中含量遞增，在轉三段酒及之后，在回尾酒和回黃水蒸餾工藝中餾出含量被大量提高。糠醛由稻殼輔料及原料皮殼含有的多縮戊糖產生[16]，過多的糠醛給酒帶來糙辣味，所以生產中適當地除去酒尾是有必要的。第Ⅲ類是苯甲醛，在蒸餾過程中及各蒸餾工藝之間無明顯變化規律。

圖2-b是蒸餾過程中酯類物質總含量的變化曲線，是檢測到的揮發性物質中種類最多、含量最高的一類物質，呈先遞減再上升變化趨勢。比較發現，回黃水蒸餾工藝提高了流酒開始時酯類物質的餾出量，轉二段點時含量是底鍋水蒸餾的1.32倍；轉三段點時，回尾酒和回黃水蒸餾組含量明顯更低，分別為(3 791.45±0.55)、(3 551.17±0.24)mg/L，底鍋水蒸餾組為(5 488.21±1.04)mg/L；在轉尾酒時，回尾酒蒸餾組含量略高，為(7 259.04±0.65)mg/L，回黃水和底鍋水蒸餾組分別為(6 853.72±0.51)、(6 648.74±0.42)mg/L。

圖2-d為檢測到的28種酯類物質在不同蒸餾工藝下各轉段點含量變化的熱圖分析。根據物質變化趨勢可將酯類物質聚為五類，第 Ⅰ 類是以硬脂酸乙酯、異戊酸乙酯、十六烯酸乙酯為代表的大分子酯類物質，在酒頭中含量突出，生產中往往需要“掐頭”來除去這些大分子酯類物質；第 Ⅱ 類是以丁酸乙酯、己酸乙酯、乙酸乙酯、辛酸乙酯等為代表的小分子、醇溶性酯類物質，在蒸餾過程中含量遞減；第 Ⅲ 類是以乳酸乙酯、壬酸乙酯為代表的一些高沸點或水溶性較好的酯類物質，在蒸餾過程中含量遞增；第 Ⅳ 和第 Ⅴ 類為己酸異戊酯和月桂酸乙酯，在蒸餾過程及不同蒸餾工藝間變化規律不明顯。比較不同蒸餾工藝發現，在流酒開始時回尾酒和回黃水蒸餾工藝中含量提高的主要為第 Ⅱ 類醇溶性酯類物質；而在轉三段點時，回尾酒和回黃水蒸餾工藝中餾出含量降低的主要為第 Ⅱ 類醇溶性酯類以及第 Ⅰ 類大分子酯類物質，主要是因為回尾酒和回黃水蒸餾工藝流酒時間延長，酒精濃度還較高時，Ⅱ 類醇溶性酯類物質餾出比較充分，而 Ⅰ 類酯類物質在蒸餾過程中在底鍋水蒸餾中含量都略高；在轉尾酒點時，亞油酸乙酯、苯丙酸乙酯、肉豆蔻酸乙酯等大分子酯類物質在回尾酒蒸餾工藝中含量比較突出。

a-醛類物質總量變化；b-酯類物質總量變化；c-各醛類物質在不同蒸餾工藝下各轉段點含量變化；d-各酯類物質在不同蒸餾工藝下各轉段點含量變化

(2)醇類、酸類物質變化

醇類化合物沸點低、易揮發，一定量的醇類物質能促進酯類香氣的揮發，是重要的呈香呈味物質[17]。圖3-a是醇類物質的餾出曲線，隨著流酒時間增加，醇類物質總量呈下降變化趨勢。轉二段點時底鍋水、回尾酒、回黃水蒸餾組含量分別為(1 810.39±135.43)、(1 676.33±221.92)、(1 975.56±104.77)mg/L，回黃水蒸餾工藝中含量略高；轉三段點時分別為(1 334.38±259.35)、(1 232.24±98.06)、(1 216.20±254.14)mg/L；轉尾酒時分別為(890.93±9.92)、(983.00±53.67)、(989.88±54.61)mg/L，各蒸餾工藝在轉三段點、轉尾酒點含量差異不大。

圖3-c為檢測到的15種醇類物質在不同蒸餾工藝下各轉段點含量變化的熱圖分析。醇類物質在蒸餾過程中可聚為兩類，第Ⅰ類是以正丙醇、正戊醇、異丁醇為代表的在蒸餾過程中含量呈遞減趨勢的易揮發、小分子醇類物質；第Ⅱ類是以甲醇、糠醇、β-苯乙醇等為代表的在蒸餾過程含量遞增的醇類物質。比較不同蒸餾工藝發現，在流酒前期，回尾酒和回黃水蒸餾工藝中Ⅰ類醇類物質餾出含量提高，在回黃水蒸餾工藝最高，可增強酒體濃厚、刺激口感；在轉尾酒時，回尾酒和回黃水蒸餾工藝中Ⅱ類風味物質含量突出，其中，糠醇、甲醇、苯甲醇等物質在回尾酒蒸餾工藝中含量略高。

有機酸類化合物在白酒中更多表現為呈味作用，適量的酸可增加酒的后味和醇和感，消除燥辣和苦味[18]。由圖3-b可知，酸類物質在蒸餾過程中呈遞增變化趨勢。轉二段點時底鍋水、回尾酒、回黃水蒸餾組含量分別為(668.41±133.02)、(453.75±93.91)、(584.99±90.87)mg/L；轉三段點時分別為(1 097.37±109.73)、(882.35±31.78)、(947.40±121.15)mg/L；轉尾酒時分別為(1 702.86±94.13)、(1 668.74±254.06)、(1 739.13±232.60)mg/L。不同蒸餾工藝在各轉段點含量差異不大，其中底鍋水蒸餾在轉二段點、轉三段點時含量略高。

圖3-d為檢測到的10種酸類物質在不同蒸餾工藝下各轉段點含量變化的熱圖分析。酸類物質在蒸餾過程中可直接聚為一類，均呈增長變化趨勢。在流酒前期，丙酸、乙酸、丁酸、己酸等大部分低碳鏈酸類物質在回尾酒和回黃水蒸餾工藝中餾出含量被略微降低，到轉三段酒及之后，各蒸餾工藝之間含量差異不大；庚酸、辛酸和壬酸在蒸餾過程中餾出含量很低，蒸餾工藝對其餾出影響不明顯。

a-醇類物質總量變化；b-酸類物質總量變化；c-各醇類物質在不同蒸餾工藝下各轉段點含量變化；d-各酸類物質在不同蒸餾工藝下各轉段點含量變化

2.2 基酒不同段次間揮發性物質分析

2.2.1 主成分分析(principal component analysis, PCA)

PCA是針對數據樣本規律未知的情況下，借助線性變換對多指標進行降維處理，保證信息盡量完整的同時，提取較少綜合變量的一種多元統計學分析手段[19]。對10組共116個樣本進行PCA，結果如圖4所示，前2個主成分的累積貢獻率為53.6%，可基本反映原始數據的變異信息。各段次的散點不能被完全區分開，但聚類趨勢明顯，表明基酒的分類與其揮發性物質有直接關系。

圖4 酒樣揮發性物質主成分分析

2.2.2 偏最小二乘判別分析(partial least squares discriminant analysis，PLS-DA)

PLS-DA，一種有監督的判別分析方法，可有效對組間觀察值進行區分，并且能夠找到導致組間差異的影響變量[20]。以各蒸餾工藝下采集的所有過程樣品為整體，進一步應用PLS-DA建立分類模型，探究各段次風味物質的差異。以所有樣本的4個段次數據作為分組變量，對包括酒精度在內的70種風味組分進行分析，建立的PLS-DA模型如圖5-a所示。該模型提取的2個成分特征值貢獻度為93.8%，說明這2個成分反映了白酒中風味物質的總體情況，能有效地對各段次樣品進行分類。其中，酒頭的散點圖比較分散，分別與各組二段酒的第一個樣品LSx-1靠近，表明揮發性物質差異不大，不易區分開，主要原因為酒頭樣品中風味物質含量不穩定，且不同組別間差異性較大，所以生產中酒頭的摘取方式多以流酒時間和餾酒質量為準。此外對模型進行200次的置換檢驗，以評估模型是否存在過擬合情況。由圖5-b可知，置換檢驗的R2截距為 0.109，Q2截距為-0.189，且所有位于左邊的R2和Q2值(橫坐標為0 0.3的點)均低于右邊的R2和Q2值(橫坐標為1的點)，說明模型不存在過擬合的情況[21]。

a-PLA-DA;b-置換檢驗

進一步探究風味組分在各段次間的差異，對基酒中揮發性物質與段次之間進行相關性分析，其中X代表白酒基酒中揮發性化合物變量，Y代表段次變量，相關性分析載荷圖見圖6。由圖6可以看到，各段次間的風味物質種類及含量存在明顯差異，載荷圖第一、四象限區域為頭酒及二段酒樣品區域，風味物質種類豐富，含有大量的酯類、醛酮類、醇類物質，低沸點、醇溶性及小分子風味化合物被優先餾出，含量逐漸減少，同時，棕櫚酸乙酯、油酸乙酯、十六烯酸乙酯等大分子酯類物質在酒頭中含量突出，香氣強烈、豐富。隨著流酒時長增加，各成分比例逐漸趨于協調，三段酒處在流酒過渡期，特征性物質相對較少且含量差異性不大，有二戊醇、己酸己酯等物質；轉尾酒后特征性風味物質明顯，包括乳酸乙酯、糠醛、甲醇、糠醇；能及微溶于水的脂肪酸，沸點隨碳鏈增長而升高，溶解度隨之減小；以及一些不溶于水、高沸點、低密度的油酸乙酯、亞油酸乙酯、苯乙酸乙酯等脂肪酸酯物質析出，造成酒液表面開始形成油珠，酒味逐漸粗糙、酸澀、刺激。

圖6 各段次酒樣與揮發性物質的相關性載荷圖

進一步利用變量投影重要度(variable importance for the projection，VIP)篩選特征性物質，找出影響段次分類的關鍵變量，研究中通常以VIP≥1的變量為差異代謝物篩選標準。通過VIP值篩選出8個差異標記物，按VIP值大小依次為酒精度、乙酸乙酯、棕櫚酸乙酯、乳酸乙酯、乙縮醛、己酸乙酯、丁酸乙酯、乙酸，這8種物質是引起段次分類的主要變量。其中，酒精度的VIP值最大，進一步證實酒精度與“酒花”形態的形成、變化有重要關系，一定的酒花形態特征反映著一定的酒精濃度，其余幾種酯類物質、乙縮醛以及乙酸也是酒體中含量較高的關鍵性風味物質。此外，利用ANOVA分析進一步驗證了這些物質含量在不同段次之間具有顯著性差異(P<0.05)，結果如表3所示。

表3 不同段次基酒中差異性標記物

考慮到實際生產應用中對模型要求的簡便性和可靠性，建立一個快速、準確的等級判別模型，同時考慮到各組頭酒樣本風味物質差異性較大，為減少其對模型的影響，舍去酒頭樣本，以8個差異標記物的含量為變量，隨機選擇9組樣本為訓練集，對二段酒、三段酒及尾酒樣品再次擬合PLS-DA 判別模型，并選擇剩余一組樣本數據為測試集對模型進行驗證(測試集包括二段次酒樣3個，三段次酒樣3個，尾酒2個，共8個樣)，判別結果如圖7所示。圖示為9組訓練集和1組測試集的預測分類結果，結果表明，訓練集與測試集樣本被很好的聚集分類，相鄰轉段區域不可避免地出現靠近的趨勢，因流酒過程物質變化是連續的，在實際生產中的應用即是找到這個臨界范圍。如表4所示為預測集的判別結果，準確率為100%，有效實現對未知段次酒樣的判別和分類。

圖7 PLS-DA模型預測結果

表4 預測集分類結果

3 結論

本研究采用GC-FID測定了10組濃香型白酒過程樣品的揮發性風味物質，分析對比了3種不同蒸餾工藝下各類風味物質的餾出規律，發現回尾酒和回黃水蒸餾工藝主要影響二段酒流酒時長及風味物質醛類、酯類的餾出。以各蒸餾情況為整體，對以看花摘酒分段的過程樣品結合化學計量學方法進行分類研究。通過對所有樣品包括酒精度在內的70種風味物質進行PCA和PLS-DA，結果表明，PCA、PLS-DA均能實現各段次酒樣的分類，同時還通過PLS-DA中的VIP值篩選出影響段次間差異的8種特征性物質。利用這8種物質，以9組樣本為訓練集構建PLS-DA段次判別模型，并以1組數據(8個樣本)作為測試集，結果顯示，測試樣本的正確識別率為100%。本研究利用蒸餾過程中酒樣揮發性風味物質的差異，建立不同段次基酒的分類和判別模型，實現“看花摘酒”工藝的可視化分析，旨在為實現機械化、數據化的摘酒提供理論支撐。